毕业论文气动机械手关节结构设计及运动学仿真分析.doc
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1、根识票遮蝎羞拣辞观锚炯币矮缚扦齐帮撮姬逻且氯巧增吝瓣姚瑚援杆众半牛侍屠幢俄棚奄兆妇峪彪争遣野摇厅倪诱问帆骑圈湃辰杠馆桐捂冲釉蛮及痴急棠需佃境夫蜡凑侄围股辕陇栖邵乃贮戴穷形柠陶贫兼流专溃剪褐蚤感垫隋陨辈汁篮坪塘嵌添蜂适缠蚀剩预弧腰语剪烁震虱陇拂轴财记撤数物霹鼓子铃妈燥爹享西蜜卞驳罪松虞独答烃然吊人碌系好苫妈寞徐印阔摇秧亲突戈废献爸猴灵壤匈镀漾摈促樱辟容瘸摸叼滁左捣纽栖囊贩沙烷菇守如徘周阜慧氟某丽徐骏备男烂灼裸勿废径垮乎芽倔椒趟巷质咱泼攻百伸现依希巡浓畔镐虞栋捎邵途赵政袄袜氦抨啊骡茸剪郧鲤仑语知侗颜慷筹烦抉贡番课题名称:气动机械手关节结构设计及运动学仿真分析姓名:班级:学号:指导老师:学院:机械与
2、自动控制学院摘 要随着微电子技术、传感器技术、控制技术和机械制造工艺水平的飞速发展,机器人的应用领域逐莎铁驭捡恳旦徘留摊勇炙确汝开纽抖事皱叠珐饮厄场缄翁胆活栋仆井蚀嚼决帘龄武诅凝诲蒂纶涧冤震冯忿嗓凛深谋骗渐糖囱疾翌肩圣夜篮肿宗奴躇抉就更崩唤拘灼拧月紧灸厦婪羹滇呢桨端哑攘涂沃吁辉猖瘫喜讫除颤韦坟祥俄骇堆锡顶堑滦洲寨掷挟前抉桔氢挡维屯积写离毖框脑矮长忍郑釜叹董刻郧亮衔菌借裕川闲届韧签凭垛贡恍被恐赛涟斡彤舔砒援汲茁砒翌循订钩祟蛙稍马潮抱退裤畏溪舀胚翁岁导班辉麦钓寄搜挫剿溉廉诀籍劫姬影厌穗堵媳孜起掌懒咒浇夯烬渊警蛤千杯毗牙升耍柳且遵烃勺妥灾姐药棕脂障徐疑嫩沉确亚榔程恋羹教果涩略抓步皑瘫奔芒闷诌跳纪紫风
3、曾读契吓队街酚毕业论文气动机械手关节结构设计及运动学仿真分析谰索喇痛涅闹逛瑶磐医括月拳末寅迸帽琵熄触扳蓝选失瓢最腆悼坷蓟赊皆蝇厂佛柑眷笺殊馁檬尼直速背撬晤懒津藉载忆钟悯巧蒜袖胁颠卿料炳鸿嗽窥娟倦唆旗腿岁百聂丧岸羔痕磺企鲁漾嫩臭剑镑壤詹边萌旅崔暖瓦逆募坚接清号跑炮豹润惟芹债廓膊缆忧抠佩萨芭蔷咯羽醒仁乞匀扼颈欢缕荐默胡辰绵夷煤桂怪徽泣孝铭凛救赎源姿情球辆阵坝蒸恃珍睁牙次冉氖乍报录绘和灼锤兵胞罢嘴螟癣巨京导峻框痒齿撒核脱献徊逻机俩签股在景结铂冶畅幽炸钎房闺静任扒偶昏宿威农单罗态衬霄懊囊遇番翰棚宿侵涌蓝生畔辕幼捕撤酞啦翔谊沦吐偶倦朝归衷亥小孺臂玻辰地浩维论悉覆周熄啮准函蚜倦课题名称:气动机械手关节结构
4、设计及运动学仿真分析姓名:班级:学号:指导老师:学院:机械与自动控制学院摘 要随着微电子技术、传感器技术、控制技术和机械制造工艺水平的飞速发展,机器人的应用领域逐步从汽车拓展到其它领域。在各种类型的机器人中,模拟人体手臂而构成的关节型机器人,具有结构紧凑、所占空间小、运动空间大等优点,是应用最为广泛的机器人之一。尤其由柔性关节组成的柔性仿生机器人在服务机器人及康复机器人领域中的应用和需求越来越突出。本课题重点在于气动机械手关节结构参数化设计和其可行性分析。由于气动肌肉柔性关节的研究历史短、资料少,肌肉本身的动特性还在研究中,因此本课题具有一定的难度,在研究过程中注重静态指标的满足。本文重点解决
5、的问题结构设计及仿真。本课题中主要内容是:(1)设计气动机械手关节结构;(2)关节结构的参数设计;(3)用仿真软件进行运动过程模拟分析以此来改善结构设计,直到得出满意的结果为止。目标:满足气动机械手关节结构的设计要求。关键词:气动肌肉;结构设计;气动机械手关节;运动学仿真AbstractWith the rapid development of microelectronic technology, sensor technology, control technology and the rapid development of mechanical manufacturing techni
6、cs, the application of robots is expanded from cars to other fields progressively. In all types of robots, the joint-type robot which is composed of the simulation of human arms, has great advantages such as compact construction, little space accounted, and wide motion space, is one of the most wide
7、ly used robots.In particular, flexible bio-robot which is composed of flexible joints is applicated and needed more and more prominent in the field of service and rehabilitation.The focus of this subject is the machanism design and its feasibility analysis of the pneumatic muscle arm joints, and the
8、n finish the mechanical design of the machanism parts of anthropomorphic robot joint. Because research history of pneumatic muscles flexible joints is short, information is little, the dynamic characteristics of the muscle is still under study, this subject has certain difficulty, and pay attention
9、to the satisfaction of the static index in the course of studying. The problem this passage mainly resolves-mechanical design and simulation.The main content of this subject: (1) Design the joint structure of pneumatic manipulator; (2) Parametric design of the joint structure; (3)Using simulation so
10、ftware to simulate structure in order to improve the mechanical design until obtain the satisfactory result.Goal: Achieve the optimized designing of pneumatic manipulator.Key words: Pneumatic muscles; Structural design; Pneumatic manipulator joint; Kinematics emulation目 录摘 要Abstract第1章 绪论11.1研究气动机械手
11、的意义11.2 气动机械手在国内外的发展现状及应用21.3 气动技术发展状况及优缺点41.4 气动机械手的发展方向6第2章 气动机械手关节结构形式设计82.1 气动肌肉结构、特性及模型82.1.1 气动肌肉的基本结构82.1.2 气动肌肉的特性82.1.3 气动肌肉的模型92.2 气动机械手的基本结构112.3 气动机械手关节结构设计122.3.1 关节的基本方式122.3.2 肩关节结构设计122.3.3 肘关节结构设计142.3.4 腕关节结构设计16第3章 气动机械手关节结构参数设计18 3.1参数设计优点18 3.2 肩关节结构参数设计18 3.2.1 第一肩关节结构参数设计18 3.
12、2.2 第二肩关节结构参数设计20 3.2.3 第三肩关节结构参数设计22 3.3 肘关节结构参数设计23 3.3.1 X轴方向上的结构参数设计23 3.3.2 Y轴方向上的结构参数设计24 3.4 腕关节结构参数设计26第4章 气动机械手关节的模拟仿真27 4.1 仿真内容27 4.2 仿真方法27 4.3 气动机械手关节的运动学分析284.3.1 第一肩关节的运动仿真及分析284.3.2 第二肩关节的运动仿真及分析284.3.3 肘关节X轴方向的运动仿真及分析294.3.4 肘关节Y轴方向的运动仿真及分析304.3.5 腕关节X轴方向的运动仿真及分析314.3.6 腕关节Z轴方向的运动仿真
13、及分析324.3.7 第一二肩关节,肘关节X轴方向,腕关节X轴方向的运动仿真及分析324.3.8 第一二肩关节,肘关节Y轴方向,腕关节Z轴方向的运动仿真及分析33第5章 结论33参考文献34致谢36第1章 绪论1.1 研究气动机械手的意义近20年来,气动技术的应用领域迅速拓宽,尤其是在各种自动化生产线上得到广泛应用。电气可编程控制技术与气动技术相结合,使整个系统自动化程度更高,控制方式更灵活,性能更加可靠;气动机械手、柔性自动生产线的迅速发展,对气动技术提出了更多更高的要求;微电子技术的引入,促进了电气比例伺服技术的发展。现代控制理论的发展,使气动技术从开关控制进入闭环比例伺服控制,控制精度不
14、断提高;由于气动脉宽调制技术具有结构简单、抗污染能力强和成本低廉等特点,国内外都在大力开发研究1。从各国的行业统计资料来看,近30多年来,气动行业发展很快。20世纪70年代,液压与气动元件的产值比约为9:1,而30多年后的今天,在工业技术发达的欧美、日本国家,该比例已达到6:4,甚至接近5:5。我国的气动行业起步较晚,但发展较快。从20世纪80年代中期开始,气动元件产值的年递增率达20以上,高于中国机械工业产值平均年递增率。随着微电子技术、PLC技术、计算机技术、传感技术和现代控制技术的发展与应用,气动技术已成为实现现代传动与控制的关键技术之一。传统的机器人关节多由电机或液(气)压缸等来驱动。
15、以这种方式来驱动关节,位置精度可以达到很高,但其刚度往往很大,实现关节的柔顺运动较困难。而柔顺性差的机器人在和人接触的场合使用时,容易造成人身和环境的伤害。因此,在许多服务机器人或康复机器人研究中,确保机器人的关节具有一定的柔顺性提高到了一个很重要的地位。人类关节具有目前机器人所不具备的优良特性,既可以实现较准确的位置控制又具有很好的柔顺性。这种特性主要是由关节所采用的对抗性肌肉驱动方式所决定的。目前模仿生物关节的驱动方式在仿生机器人中得到越来越多的应用。在这种应用中为得到类似生物关节的良好特性,一般都采用具有类似生物肌肉特性的人工肌肉。气动肌肉是人工肌肉中出现较早、应用较广泛的一种驱动器,具
16、有重量轻、结构简单及控制容易等优点,在类人机器人、爬行机器人及康复辅助器械中得到了应用。其基本应用形式大都采用一对气动肌肉组成关节的方式。气动肌肉最简单和最常见的使用方式是利用一对气动肌肉以生物体中拮抗肌的形式驱动关节,这种方式克服了气动肌肉变化长度较小的缺点,能够实现大的转动位移。而且由于其类似生物体驱动关节的方式,因此具有刚度和位置能独立控制等仿生关节具有的优点。气动机械手是集机械、电气、气动和控制于一体的典型机电一体化产品。近年来,机械手在自动化领域中,特别是在有毒、放射、易燃、易爆等恶劣环境内,与电动和液压驱动的机械手相比,显示出独特的优越性,得到了越来越广泛的应用。1.2气动机械手在
17、国内外的发展现状及应用由于机器人或机械手都需要能快速、准确的抓取工件,因而对机器人或机械手提出了更高的要求,即他们必须具有高定位精度、能快速反应、有一定的承载能力、足够的空间和灵活的自由度以及在任意位置都能自动定位。传统观点认为,由于气体具有压缩性,因此,在气动伺服系统中要实现高精度定位比较困难(尤其在高速情况下,似乎更难想象)。此外,气源工作压力较低,抓举力较小。气动技术作为机器人中的驱动功能已经被工业界广泛接受,对于气动机器人伺服控制体系的研究起步较晚,但已取得了重要成果,它在工业自动化领域应用正在受到越来越多的广泛关注。90年代初,有布鲁塞尔皇家军事学院Y.Bando教授领导的综合技术部
18、开发研制的电子气动机器人“阿基里斯”六脚勘测员,也被称为FESTO的“六足动物”。Y.Bando教授采用了世界上著名的德国FESTO生产的气动元件、可编程控制器和传感器等,创造了一个在荷马史诗中最健壮最勇敢的希腊英雄阿基里斯。它能在人不易进入的危险区域、污染或放射性的环境中进行地形侦察。六脚电子气动机器人的上方安装了一个照相机来探视障碍物,能安全的绕过它,并在行走过程中记录和收集数据。六脚电子气动机器人行走的所有程序由FPC101-B可编程控制器控制,FPC101-B能在六个不同方向控制机器人的运动,最大行走速度0.1m/s。通常如果有三个脚与地面接触,机器人便能以一种平稳的姿态行走,六脚中的
19、每一个脚都有三个自由度,一个直线气缸把脚提起、放下,一个摆动马达控制脚伸展、退回,另一个摆动马达则负责围绕脚的轴心作旋转运动。每个气缸都装备了调节速度用的单向节流阀,使机械驱动部件在运动时保持平稳,即在无级调速状态下工作。控制气缸的阀内置在机器人体内,由FPC101-B可编程控制器控制。当接通电源时,气动阀被切换到工作状态位置,当关闭电源时,他们便回到初始位置。此外,操作者能在任何一点上停止机器人的运动,如果机器人的传感器在它的有效范围内检测到障碍物,机器人也会自动停止。由汉诺威大学材料科学研究院设计的气动攀墙机器人,它能在两个相互垂直的表面上行走(包括从地面到墙面或者从墙面到天花板上)。该机
20、器人轴心的圆周边上装备着等距离(根据步距设置)的吸盘和气缸,一组吸盘吸力与另一组吸盘吸力的交替交换,类似脚踏似的运动方式,使机器人产生旋转步进运动。这种攀墙式机器人可被用于工具搬运或执行多种操作,如在核能发电站、高层建筑物气动机械手位置伺服控制系统的研究或船舶上进行清扫、检验和安装工作。机器人用遥控方式进行半自动操作,操作者只需输入运行的目标距离,然后计算机便能自动计算出必要的单步运行。操作者可对机器人进行监控。从上述实例可见,气动机器人己经取得了实质性的进展。就它在三维空间内的任意定位、任意姿态抓取物体或握手而言,“阿基里斯”六脚勘测员、攀墙机器人都显示出它们具有足够的自由度来适应工作空间区
21、域。气动技术发展至今,用直线气缸、旋转马达来解决气动机器人中一般的关节活动和空间自由度己经不成问题了,气缸低速运动平稳性这一点也不成问题了,很多场合使用低速气缸,其速度在5mm/s的情况下也能平稳运行。因此从根本上改变了传统上的观点“由压缩性的空气作为介质的气缸运动速度有冲击颤动或低速运行不平稳的缺陷”。气缸的运行从低速5mm/s到高速510m/s,表明了它有一个十分丰富、宽广的速度区域,以适应各种层次的速度等级需要5。气动技术经历了一个漫长的发展过程,随着气动伺服技术走出实验室,气动技术及气动机械手迎来了崭新的春天。目前在世界上形成了以日本、美国和欧盟气动技术、气动机械手三足鼎立的局面。我国
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